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1、菌体生长菌体生长基质消耗基质消耗产物生成产物生成最佳工艺条件的控制最佳工艺条件的控制G 菌体生长速率菌体生长速率A 基质消耗速率基质消耗速率B 代谢产物的生成速率代谢产物的生成速率菌体生长速率：单位体积、单位时间生长菌体生长速率：单位体积、单位时间生长的菌体量的菌体量（g/h.L)dc(X)dt=c(X)或或=1c(X)dc(X)dt除受细胞自身的遗传信息支配外，还受环除受细胞自身的遗传信息支配外，还受环境因素的影响。境因素的影响。vx=碳源碳源+氮源氮源 +氧氧 细胞细胞 +产物产物+CO2+H2OX +P +CO2+H2O细胞得率系数：即每消耗细胞得率系数：即每消耗1g基质所生成的细基质所
2、生成的细胞克数胞克数YX/S=X-X0S0-S=XSl 基质的消耗速率基质的消耗速率vsvs=dc(s)dt-=-vxYX/S=c(X)YX/SS0-SX-X0SNO2+vsc(X)当基质既是能源又是碳源时，就应考虑维当基质既是能源又是碳源时，就应考虑维 持能量持能量，即：，即：碳源总消耗量碳源总消耗量=用于生长的用于生长的消耗速率消耗速率+用于维持代谢用于维持代谢的消耗速率的消耗速率1YG c(X)菌体生长得率系数菌体生长得率系数m菌体维持代谢菌体维持代谢的维持系数的维持系数+=v=vvx代谢产物的生成速率代谢产物的生成速率vp：单位体积、单位：单位体积、单位时间内，产物形成的量。时间内，产
3、物形成的量。vp=dc(P)dt 产物的比生成速率产物的比生成速率Q：Q=vpc(X)一、生物反应动力学分类一、生物反应动力学分类二、发酵方法二、发酵方法发酵动力学分类发酵动力学分类分类依据及类型分类依据及类型判判 断断 因因 素素 根据产物根据产物形成与基质消形成与基质消耗关系耗关系 产物形成直接与基质消耗有关产物形成直接与基质消耗有关 产物形成与基质消耗间接有关产物形成与基质消耗间接有关 产物形成与基质消耗无关产物形成与基质消耗无关 根据生长根据生长有否偶联有否偶联偶联型偶联型 产物形成速度与生长速度密切相关产物形成速度与生长速度密切相关混合型混合型 产物形成速度与生长部分相关产物形成速度
4、与生长部分相关非偶联型非偶联型 产物产物形成速度与生长速度无关形成速度与生长速度无关 根据反应根据反应进程进程简单型简单型 营养成分以固定的化学量转化为产物，无中间物积累营养成分以固定的化学量转化为产物，无中间物积累并行型并行型 营养成分以不定的化学量转化为一种以上的产物，且产营养成分以不定的化学量转化为一种以上的产物，且产物生成速度随营养成分浓度而异，也无中间物积累物生成速度随营养成分浓度而异，也无中间物积累串联型串联型 形成产物前积累有一定程度的中间物的积累形成产物前积累有一定程度的中间物的积累分段型分段型 营养成分在转化为产物前全部转化成中间产物或以优先营养成分在转化为产物前全部转化成中
5、间产物或以优先顺序选择性地转化为产物，反应过程有两个反应段组成顺序选择性地转化为产物，反应过程有两个反应段组成复合型复合型 大多数的发酵过程是一个复杂的联合反应大多数的发酵过程是一个复杂的联合反应类型类型 这是一种产物合成与利用糖类有这是一种产物合成与利用糖类有化学计量关系的发酵，糖提供了生长所化学计量关系的发酵，糖提供了生长所需的能量。糖消耗速率与产物合成速率需的能量。糖消耗速率与产物合成速率的变化是平行的。的变化是平行的。类型类型 产物形成间接与基质消耗有关，产物形成间接与基质消耗有关，即微生物生长与产物形成是分开的，糖即微生物生长与产物形成是分开的，糖既提供细胞生长所需的能量，又充当产既
6、提供细胞生长所需的能量，又充当产物合成的碳源。物合成的碳源。类型类型 产物是微生物的次级代谢产物，产物是微生物的次级代谢产物，产物合成与利用碳源无准量关系，产物产物合成与利用碳源无准量关系，产物合成在菌体生长停止才开始合成在菌体生长停止才开始以菌体细胞量为基准以菌体细胞量为基准的产物生成系数，的产物生成系数，g/g偶联型偶联型 合成的产物通常是分解代谢合成的产物通常是分解代谢的直接产物，这类初级代谢产物的的直接产物，这类初级代谢产物的生产速率与生长直接相关生产速率与生长直接相关vP=dc(P)dt=YP/Xdc(X)dt=YP/Xc(X)QP=YP/XvPc(X)=c(X)c(X)=YP/X混
7、合型混合型 生长与产物形成部分相关生长与产物形成部分相关dc(P)dt=dc(X)dt+c(X)dc(P)dt=c(X)g/(g细胞细胞.h)非生长偶联型非生长偶联型 细胞生长时无产物形成，细胞生长时无产物形成，但细胞停止生长后，有大量产物积累，但细胞停止生长后，有大量产物积累，产物的形成量只与细胞的积累量有关产物的形成量只与细胞的积累量有关或或QP=+与生长偶联的产物形成系数，与生长偶联的产物形成系数，g/g细胞细胞非生长偶联的比生产速率，非生长偶联的比生产速率，g/(g细胞细胞.h)发酵方法发酵方法好氧发酵好氧发酵厌氧发酵厌氧发酵液体表面液体表面培养发酵培养发酵深层通深层通风发酵风发酵固体
8、表固体表面培养面培养深层发酵深层发酵分批分批式操作式操作连续连续式操作式操作反复半分反复半分批式操作批式操作反复分反复分批式操作批式操作半分批半分批式操作式操作分批式操作：底物一次装入罐内，在适分批式操作：底物一次装入罐内，在适宜条件下接种进行反应，经过一定时间宜条件下接种进行反应，经过一定时间后，将全部反应物取出。后，将全部反应物取出。半分批式操作：也称流加式操作。是指半分批式操作：也称流加式操作。是指将一定量底物装入罐内，在适宜条件下将一定量底物装入罐内，在适宜条件下接种使反应开始。反应过程中，将特定接种使反应开始。反应过程中，将特定的限制性底物送入反应器，以控制罐内的限制性底物送入反应器
9、，以控制罐内限制性底物浓度在一定范围，反应终止限制性底物浓度在一定范围，反应终止将全部反应物取出。将全部反应物取出。反复分批式操作：是指分批式操作完成反复分批式操作：是指分批式操作完成后，取出部分反应系，剩余部分重新加入后，取出部分反应系，剩余部分重新加入底物，再按分批式操作进行。底物，再按分批式操作进行。反复半分批式操作：流加操作完成后，反复半分批式操作：流加操作完成后，取出部分反应系，剩余部分重新加入一定取出部分反应系，剩余部分重新加入一定量底物，再按流加式操作。量底物，再按流加式操作。连续式操作：反应开始后，一方面把底连续式操作：反应开始后，一方面把底物连续地供给到反应器中，同时又将反应
10、物连续地供给到反应器中，同时又将反应液连续不断地取出，使反应过程处于稳定液连续不断地取出，使反应过程处于稳定状态，反应条件不随时间变化。状态，反应条件不随时间变化。发酵方法发酵方法分批分批发酵法发酵法补料分补料分批发酵法批发酵法连续连续发酵法发酵法开放式开放式连续发酵连续发酵封闭式封闭式连续发酵连续发酵openopenopenopenopenopen 是指在一个密闭系是指在一个密闭系统内，投入有限数统内，投入有限数量的营养物质后接量的营养物质后接入少量微生物菌种入少量微生物菌种进行培养，使微生进行培养，使微生物生长繁殖，在特物生长繁殖，在特定条件下只完成一定条件下只完成一个生长周期的微生个生长
11、周期的微生物培养方法。物培养方法。closeclose概念概念概念概念 微生物所处的环境是微生物所处的环境是不断变化的；不断变化的；可进行少量多品种的可进行少量多品种的发酵生产；发酵生产；发生杂菌污染能够很发生杂菌污染能够很容易终止操作；容易终止操作；对原料组成要求较粗对原料组成要求较粗放；放；当运转条件发生变化当运转条件发生变化或需要生产新产品时，或需要生产新产品时，易改变处理对策。易改变处理对策。特点特点特点特点概念概念 特点特点closeclose是指在分批培养过程是指在分批培养过程中，间歇或连续地补中，间歇或连续地补加新鲜培养基的培养加新鲜培养基的培养方法。方法。概念概念概念概念特点特
12、点特点特点closeclose概念概念 特点特点closecloseG 可以解除培养过程中的底可以解除培养过程中的底物抑制、产物的反馈抑制和物抑制、产物的反馈抑制和葡萄糖的分解阻遏效应。葡萄糖的分解阻遏效应。A 对于好氧过程，可以避免对于好氧过程，可以避免在分批培养过程中因一次性在分批培养过程中因一次性投糖过多，造成细胞大量生投糖过多，造成细胞大量生长，耗氧过多，从而加剧氧长，耗氧过多，从而加剧氧的供需矛盾。的供需矛盾。B 微生物细胞可以控制在一微生物细胞可以控制在一系列连续的过渡态阶段，可系列连续的过渡态阶段，可用来控制细胞的质量。用来控制细胞的质量。C 不会产生微生物菌种的老不会产生微生物
13、菌种的老化和变异。化和变异。是指以一定的速度向是指以一定的速度向培养系统内添加新鲜培培养系统内添加新鲜培养基，同时又以相同的养基，同时又以相同的速度流出培养液，从而速度流出培养液，从而使培养系统内培养液的使培养系统内培养液的量维持恒定，微生物细量维持恒定，微生物细胞能在近似恒定状态下胞能在近似恒定状态下生长的发酵方式。生长的发酵方式。概念概念概念概念 提供了一个微生物在恒定状提供了一个微生物在恒定状态下高速生长的环境，便于进态下高速生长的环境，便于进行微生物的代谢、生理、生长行微生物的代谢、生理、生长和遗传和遗传特性的研究特性的研究。减少了辅助操作时间，提高减少了辅助操作时间，提高了生产效率。
14、了生产效率。产物质量较稳定。产物质量较稳定。可作为分析微生物的生理、可作为分析微生物的生理、生态及反应机制的有效手段。生态及反应机制的有效手段。所需的设备和投资较少；便于所需的设备和投资较少；便于实现自动化；可节省人力、物实现自动化；可节省人力、物力。力。在长时间的培养过程中，微在长时间的培养过程中，微生物菌种易发生变异，发酵过生物菌种易发生变异，发酵过程中易染菌。程中易染菌。特点特点特点特点 概念概念 特点特点closecloseG 分批发酵动力学分批发酵动力学A 补料分批发酵动力学补料分批发酵动力学B 连续发酵动力学连续发酵动力学 分批发酵的不同阶段分批发酵的不同阶段 微生物分批培养的生长
15、动力学微生物分批培养的生长动力学方程方程 分批培养时基质的消耗速率分批培养时基质的消耗速率 分批培养中产物的形成速率分批培养中产物的形成速率 分批培养过程的生产率分批培养过程的生产率c停滞期：接种物的停滞期：接种物的生理状态和浓度是生理状态和浓度是决定停滞期长短的决定停滞期长短的关键。关键。对数生长期对数生长期：单位时间内：单位时间内细胞的数目或质量的增加细胞的数目或质量的增加维持恒定并达到最大值。维持恒定并达到最大值。稳定期：微生稳定期：微生物的质量基本物的质量基本维持稳定维持稳定。衰亡期衰亡期dc(X)dt=c(X)倍增时间倍增时间（td）：）：微生物细胞浓度增加一微生物细胞浓度增加一倍所
16、需要的时间。倍所需要的时间。td=ln2=o.693dc(X)dtc(X)=当以碳氢化合物作为微生物的营养物质时当以碳氢化合物作为微生物的营养物质时其生长速率不符合对数规律。其生长速率不符合对数规律。lnct(X)c0(X)=t1942年，年，Monod提出了在特定温度、提出了在特定温度、pH、营养物类型、营养物浓度等条件下营养物类型、营养物浓度等条件下c(S)=mKs+c(S)Ks 其其物理意义：当比生长速率为最大比生长物理意义：当比生长速率为最大比生长速率一半时的限制性营养物质浓度。它的大速率一半时的限制性营养物质浓度。它的大小表示了微生物对营养物质的吸收亲合力大小表示了微生物对营养物质的
17、吸收亲合力大小。小。KS越大，表示微生物对营养物质的吸收越大，表示微生物对营养物质的吸收亲和力越小；反之就越大。亲和力越小；反之就越大。饱和常数，饱和常数，mg/L。m 微生物的最大比生长速率，微生物的最大比生长速率，h h-1-1。m随微生物的种随微生物的种类类和培养条和培养条件的不同而不同，通常件的不同而不同，通常为为0.00.086862.1h2.1h-1-1m/2mc(S)c(S)KS时时KS=mKSc(S)abcc(S)KS时时=KI+c(S)mKI微生物生长过程的特征通常以得率系数微生物生长过程的特征通常以得率系数来描述，即生成细胞或产物与消耗的营来描述，即生成细胞或产物与消耗的营
18、养物质之间的关系。养物质之间的关系。细胞得率系数（细胞得率系数（YX/S g）：消耗）：消耗1g1g营养营养物质生成的细胞的质量。物质生成的细胞的质量。产物得率系数（产物得率系数（YP/S g）：消耗）：消耗1g1g营养营养物质生成产物的质量。物质生成产物的质量。YX/S=c(X)-c0(X)c0(S)-c(S)YP/S=c(P)-c0(P)c0(S)-c(S)=c(X)c(S)=c(P)c(S)YX/O=c(X)-c0(X)c0(O)-c(O)=c(X)c(O)-dc(S)dt=c(X)YX/Sdc(P)dt=YP/Xdc(X)dt-dc(S)dt=c(X)YG+mc(X)+YP1dc(P)
19、dt+c(X)-dc(S)dt=c(X)YG+mc(X)+YP1dc(P)dt+c(X)c(X)c(X)v=YG+m+QPYP+则：则：v=YG+mv=dc(X)dtYX/Sc(X)=c(X)1YX/S=YG+m1=YX/SG产物形成与细胞生长相关dc(P)dt=YP/Xdc(X)dt=YP/Xc(X)A 产物形成与细胞生长无关联dc(P)dt=c(X)B 产物形成与细胞生长部分相关dc(P)dt=YP/Xc(X)+c(X)生产率生产率（P）=产物浓度产物浓度发酵时间发酵时间t=1mlnct(X)c0(X)+tc+t1tf+tc放罐清洗时间放罐清洗时间tf装料消毒时间装料消毒时间t1迟滞时间迟
20、滞时间ct(X)细胞最终浓度细胞最终浓度令令 t tL L=tc+t t1 1 则：则：tf+P=1mlnct(X)c0(X)ct(X)-c0(X)+tLG 单一补料分批培养单一补料分批培养其特点是补料一直到培养液达到额定值为止，其特点是补料一直到培养液达到额定值为止，培养过程中不取出培养液。培养过程中不取出培养液。c0(S)初始培养基中限制性营养物质的浓度初始培养基中限制性营养物质的浓度F补料时培养基的流加速度补料时培养基的流加速度(L(Lh h-1-1)V培养基的体积培养基的体积(L)(L)FV稀释比稀释比(D)(D)c(X)=c0(X)+YX/Sc0(S)-c(S)则：则：当当 c(S)
21、=0时，时，微生物细胞的最终浓度为微生物细胞的最终浓度为cmax(X)如果如果cmax(X)c0(X)，则则cmax(X)=YX/Sc0(S)在在 c(X)=c0(X)时，时，开始以恒速补加培养基开始以恒速补加培养基此时此时D kFVc(X)c(X)+dc(X)dt=-dc(X)dt=0FVc(X)=c(X)FV=限制性营养物质的物料平衡限制性营养物质的物料平衡流入的流入的营养物质营养物质流出的流出的营养物质营养物质生长消耗生长消耗的营养物质的营养物质维持维持生命需要生命需要的营养物质的营养物质-=-形成产形成产物消耗的物消耗的营养物质营养物质积累的积累的营养物质营养物质-=DFVc(S)c0(S)FVc(X)YX/S c(X)mQPc(X)YP/Sdc(S)dtFVc(S)c0(S)FVc(X)YX/S c(X)mQPc(X)YP/Sdc(S)dt-=c0(S)流入发酵罐的营养物的浓度，流入发酵罐的营养物的浓度，g/Lc(S)流出发酵罐的营养物的浓度，流出发酵罐的营养物的浓度，g/L一般条件下：一般条件下：c(X)mKs,Ks+c0(s)c0(S)Ks+c0(S)c0(S)1，Ksc0(S)0PcPb=lncm(X)c0(X)+mtL2cm(X)-c0(X)YX/S